Повышение комплекса механических характеристик сварного соединения ленточных бесконечных пил

Размещено на http://allbest.ru

6

Повышение комплекса механических характеристик сварного соединения ленточных бесконечных пил

Арутюнов Юрий Артемович,

кандидат физ.-мат. наук,

Дробязко Александр Александрович, инженер

Чащин Евгений Анатольевич, канд. техн. наук

Шашок Павел Александрович, инженер

г. Ковров 2015

В настоящее время огромный интерес в лесопромышленности, строительстве и машиностроении вызывает использование бесконечных ленточных пил. Технология использования узких лент в лесопилении относительно молода.

На лесопилках ее используют чуть более 15 лет, а на установках второго ряда и того меньше, хотя в мебельном производстве ленточные пилы использовались очень давно.

Однако, применение данного вида пил имеет как свои преимущества, так и свои проблемы. Наибольшее распространение в лесопилении получили полотна из углеродистой стали, но, к сожалению, ресурс ленточных пил невелик, от 50 до 70 м³ древесины для разных полотен. Излом ленточной пилы крайне опасен для обслуживающего персонала. От этого время непрерывного пиления сокращается 1.

Для продления ресурса службы ленточных пил применяют обработку зуба пилы (закалку, легирование, заточку), а также используют биметаллические пилы, однако, это требует значительных экономических затрат, как на покупку более дорогих пил, так и на проведение обработки зубьев [2, 3].

В связи с этим, встает вопрос о применении более дешевых пил до полной выработки их ресурса с дальнейшим их восстановлением путем сварки. При этом для продления ресурса службы необходимо сохранить весь комплекс механических характеристик сварного соединения без потери прочности по сравнению с исходным материалом.

Поскольку при стыковой сварке ленточных пил необходимо получить прочность и надёжность сварочного соединения соизмеримого с теми же показателями основного металла, то вместо традиционной дуговой сварки малых толщин [4] применяют лазерно-дуговую обработки материалов комбинированным воздействием лазерного излучения и электрической дуги [5]. Увеличение эффективности использования лазерного излучения и расширение технологических возможностей лазерно-дуговой обработки достигается тем, что используется импульсно-периодическое лазерное излучение, частота следования импульсов устанавливается не менее 100 Гц. Снижение вероятности образования холодных и усталостных трещин основано на снижении возникающих сварочных напряжений путем установления параметров лазерных импульсов в соответствии с условием достижения или превышения порога испарения обрабатываемого материала в каждом лазерном импульсе [6, 7].

Основным недостатком лазерно-дуговой сварки является высокая склонность сварного шва к образованию холодных трещин, вследствие мартенситного строения зоны термического влияния.

Кроме того, при сварке ленточных пил дуговой разряд сопровождается значительными термическими деформациями, требующими последующей рихтовки, и гратом который должен быть обязательно удален. Операция механической обработки часто сопровождается появлением шлифовочных прижогов и повышением концентрации остаточных напряжений, также уменьшающих прочность сварного шва [8].

Анализ полотен ленточных пил работающих до разрушения показал, что наибольшим концентратором напряжений и участком, где с большей вероятностью зарождается усталостная трещина, является участок впадины зуба. Значительный объем переходной зоны не позволяет исключить влияние этого концентратора напряжений на модифицированный металл, что приводит к резкому снижению сопротивления усталости и хрупкому разрушению. ленточный пила шов сварочный

Кроме этого, часто применяют также способ локальной термической свето-лазерной обработки материалов при котором на свариваемые встык поверхности воздействуют в локальной зоне обработки когерентным и полихроматическим излучением в заданной последовательности, по заданному термическому циклу [9]. Благодаря этому обработка происходит с плотностью мощности, позволяющей производить сварку с малым объемом жидкого кристаллизующегося металла. В этом случае по площади зоны сварки после кристаллизации сварочной ванны, обеспечивается необходимое время пребывания точки отпуска при охлаждении в заданном интервале температур, что делает оптимальной структуру сварного соединения и повышает сопротивляемость к образованию холодных трещин [10, 11]. Недостатками в данном случае является невысокий ресурс работы пилы, вследствие образования усталостной трещины в металле шва расположенного вдоль линии действия максимальных изгибочных напряжений.

Для получения сварного соединения полотна ленточной пилы, обладающего повышенной стойкостью к действию циклических растягивающих и изгибных нагрузок, сопровождаемых значительными изгибными деформациями в процессе лазерной сварки осуществляется подбор соответствующих режимов облучения, который дает возможность получить стыковое сварное соединение, не склонное к образованию холодных трещин.

В данной работе рассматривается стыковая сварка ленточной пилы, выполненной из углеродистой стали, с помощью лазерного излучения, в которой шов располагается под углом относительно линии действия максимальных изгибочных напряжений (рис. 1).

Такое сварное соединение обладает повышенной стойкостью к действию циклических растягивающих и изгибных нагрузок, сопровождаемых значительными изгибными деформациями.

Рис. 1. Воздействие лазерного излучения на полотно ленточной пилы:

1 - полотно ленточной пилы; 2 - лазерное излучение; 3 - оптическая фокусирующая система; 4 - сварной шов; 5 - «линия» действия максимальных изгибочных напряжений.

Видно, что при таком способе сварки имеет место уменьшение вероятности возникновения усталостной трещины в сварном шве и повышения ударной вязкости сварного соединения вдоль линии действия максимальных изгибочных напряжений за счет снижения числа концентраторов напряжений.

Последнее достигается путем уменьшения доли металла сварного шва к основному металлу, для чего шов (рис. 1 , поз. 4 )выполняется под углом б к линии действия максимальных изгибочных напряжений (рис. 1, поз. 5). Для компенсации усадки материала в зону сварки может добавляться присадочную проволоку (при сварке низколегированных высокоуглеродистых сталей).

Предлагаемый способ был применен при стыковой сварке в кольцо полотен ленточных пил выполненных из углеродистой стали 30Х длиной окружности 3,6 м, толщиной 1 мм. Обработка производилась на лазерной технологической установке, представляющей собой комплексно-модернизированный вариант установки - прототипа “Квант-15” с энергией импульса излучения 15 Дж и частотой следования импульсов 2 Гц, содержащей также систему автоматизированного числового программного управления приводами двухкоординатного стола, осуществляющего перемещения полотна пилы относительно лазерного излучения.

Лазерный луч (рис. 1 поз. 2) фокусировался оптической системой (рис. 1 поз. 3) с фокусным расстоянием 100 мм на поверхности свариваемых в стык концов полотна ленточной пилы (рис. 1 поз. 1).

Сварка производилась двусторонняя с разделкой кромок и использованием присадки. В качестве присадки использовалась проволока из сплава нихром диаметром 0,4 мм типа Х20Н80, непрерывно подаваемая в зону обработки.

Сканирование полотна пилы осуществлялось со скоростью обеспечивающей сварку с перекрытием 1/3 пятна. Шов располагался под углами б (см. рис. 1) 15, 25, 35 и 45. Полученные после сварки образцы испытывались на статический изгиб и растяжение на установке Модель 2055Р-0,5. Результаты испытаний представлены в таблице 1.

Таблица 1

Результаты испытаний показали, что предел прочности увеличивается при увеличении угла наклона шва до 1,24 раза с 994 до 1233 Н/мм². Наибольшее значение этот показатель имеет для образца с углом шва 45є и по абсолютному значению приближается к пределу прочности исходного материала без сварки (как и остальные измеряемые параметры), а относительное уменьшение предела прочности не превышало 16%, что на порядок больше, чем в случае применения дуговой сварки.

При указанных параметрах обработки ленточных пил, время наработки на разрушение по сравнению с ранее применяемыми методами возросло в 1,5 раза и составило 75-105 м³ древесины.

Предел прочности на растяжение сварного шва практически совпадает с пределом прочности на растяжение основного металла пилы и составила 1233 Н/мм², а предел текучести для сварочного шва 1187 Н/мм², что в 1,24 раза выше по сравнению с лазерной сваркой стыковкой вдоль оси максимального скопления концентраторов напряжений.

Вывод

Применение лазерной сварки встык под углом к линии действия максимальных изгибочных напряжений для бесконечных полотен ленточных пил позволяет увеличить ресурс службы.

Список литературы

1. Калашников М.А. Каково волокно, таково и полотно // Леспроминформ - 2007 -- № 5(45). - с.74-77.

2. Митрофанов А.А., Федин А.В., Чащин Е.А. Использование комбинированного лазерного излучения для повышения стойкости режущего инструмента // Журнал «Изв. Академии наук. Сер. физическая.».- 2001.- т. 65.- N 6.- с. 926 - 928

3. Васильев В.В., Федин А.В., Чащин Е.А. Интерференционный модулятор одномодового излучения мощных технологических лазеров // Приборы и техника эксперимента - М., 1999.-№2.-с. 100-102.

4. Арутюнов Ю.А., Дробязко А.А., Чащин Е.А., Шашок П.А., Шилов И.В., Фероян А.А. Математическая модель коррекции тока для компенсации изменения высоты электрода в процессе ручной дуговой сварки // Интернет- журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» Том 9, №2 (2017) http://naukovedenie.ru/PDF/18TVN217.pdf (доступ свободный). Загл. с экрана. Яз. рус., англ.

5. Патент РФ № 93051207 от 17.02.2003. Способ термической обработки материалов комбинированным воздействием лазерного излучения и электрической дуги.

6. Патент РФ № 2269401 от 17.02.2003. Способ импульсной лазерной сварки металлов лазерным импульсом сложной формы.

7. Патент РФ № 2186667 от 10. 08. 2002. Способ лазерной сварки металлов и сплавов.

8. Рыкалин Н.Н., Углов А.А., Зуев И.В., Кокора А.Н. Лазерная и электроннолучевая обработка материалов. Справочник под ред. Н.Н. Рыкалина -- М.: Машиностроение, 1985. -- 496 с.

9. Патент РФ № 4867768/08 от 30.09.1992. Легирование, наплавка, рафинирование и т.п.

10. Григорьянц А.Г. Основы лазерной обработки материалов. -М.: Машиностроение, 1989, -304 с.

11. Чащин Е.А. Продление ресурса оборудования для наземных обработок космических аппаратов / Е.А. Чащин, И.В. Шилов, С.А. Балашова, А.А. Митрофанов / Информация и космос. -- 2009. -- №2. с. 115-119.

Аннотация

Повышение комплекса механических характеристик сварного соединения ленточных бесконечных пил. Арутюнов Юрий Артемович, кандидат физ.-мат. наук, ведущий научный сотрудник. ФГБУ «Научно-клинический центр спортивной медицины федерального медико-биологического агентства России». г. Москва, Россия

Дробязко Александр Александрович, инженер, ООО «Двойная спираль». Москва, Россия

Чащин Евгений Анатольевич, канд. техн. наук, зав. Кафедрой, кафедра «Электротехника», факультет Автоматики и электроники. ФГБОУ ВО «Ковровская государственная технологическая академия им. В.А. Дегтярева». г. Ковров, Россия

Шашок Павел Александрович, инженер. ООО «Двойная спираль». Москва, Россия

Предложен способ сварки полотна ленточной пилы выполненной из углеродистой стали, при котором на свариваемые встык поверхности воздействуют лазерным излучением с плотностью мощности, позволяющей производить сварку с малым объемом жидкого кристаллизующегося металла, отличающийся тем, что с целью получения сварного соединения, обладающего повышенной стойкостью к действию циклических растягивающих и изгибных нагрузок, сопровождаемых значительными изгибными деформациями, сварной шов следует располагать под углом к линии действия максимальных изгибочных напряжений. Показана возможность увеличения времени наработки на разрушение в 1,5 раза до 75-105 м³ древесины.

Ключевые слова: стыковая сварка, ленточная пила, предел текучести, время наработки на отказ.

Abstract

The increase of the complex mechanical characteristics of the welded joint endless band saws name of article. Arutyunov, Yuri Artemovich, candidate of phys.-math. sciences, leading researcher. Scientific-Clinical Center of Sports Medicine Federal Medical-Biological Agency of Russia, Moscov, Russia

Drobyazko, Aleksandr Aleksandrovich, engineer, LLC «Double spiral». Moscov, Russia

Chaschin, Yevgeny Anatolevich, candidate tehn. sciences, head of department, Electrical engineering, faculty Automation and electronics. Kovrov State Technical Academy. Kovrov, Russia

Shashok, Pavel Aleksandrovich, engineer, LLC «Double spiral». Moscov, Russia

The proposed method of welding a cloth of tape saws. The blade is made of carbon steel. On welded butt joint surfaces are exposed to powerful laser radiation.,It pozvolyaet to weld with a small volume of liquid crystallizing metal. With the aim of obtaining a welded joint having high resistance to the action of cyclic tensile and bending loads, accompanied by considerable bending deformation, the weld bead should be placed at an angle to the line of action of maximum stresses izgibanii. The possibility of increasing the time between the destruction of 1.5 times to 75-105 m³ of wood.

Keywords: butt welding, bandsaw, yield stress, time to failure

Размещено на Allbest.ru